全球和样带尺度森林土壤有机碳驻留时间的变化及其影响因素

【摘要】：土壤有机碳驻留时间是评价土壤有机碳循环动态的重要指标。现阶段地球系统模型对土壤碳汇动态的预测有很大的不确定性,这个不确定性很大程度上来自难以准确估算土壤有机碳的驻留时间。土壤有机碳驻留时间(transit time)是指单位时间内所有离开土壤碳库的碳原子的平均年龄。土壤有机碳驻留时间的估算难度主要源于两个原因:一方面是土壤有机碳驻留时间的定义模糊,用法混淆;另一方面是研究中所采用的不同的计算方法和假设条件导致土壤有机碳驻留时间具有较大的差异性,因此基于观测数据的估算结果难以用于评估模型模拟。在过去的几十年中,国内外大量研究从不同的时间尺度阐明了土壤有机质的稳定性机制。然而土壤有机碳驻留时间的空间变化及其影响因素尚未明晰。本研究在生态系统水平上,建立了土壤有机碳驻留时间的全球数据库。基于该数据库,本研究分析了土壤有机碳驻留时间的分布特征及其影响因素。同时,在区域尺度上,本研究采集了我国东部森林五个野外站点的土壤样本,分析了我国东部森林土壤有机碳驻留时间的分布特征及其影响因素。此外,本研究还在站点尺度上探究了生物因子、环境因子和地形因子对土壤有机碳驻留时间的影响。主要结果如下:(1)本研究从已发表文献中收集了全球1670个站点的土壤碳驻留时间数据,并建立了数据库。通过对不同估算方法之间的比较,发现在全球范围内,计算土壤碳驻留时间的方法存在较大的差异性。在各个方法中,微生物培养方法计算得出的驻留时间最短,稳定同位素方法与碳储量-通量法较为相近,而放射性碳同位素方法计算得出的驻留时间最长。(2)为了评估模型对土壤有机碳驻留时间模拟的精确性,本文将实测的土壤有机碳驻留时间(稳定碳同位素法和碳储量-通量方法)与模型结果进行了比较。研究结果表明,当前的地球系统模型普遍显著低估了全球范围内土壤有机碳驻留时间。其主要原因是模型在模拟土壤碳循环过程中忽略了碳垂直运移过程,从而低估了土壤碳驻留时间。在增加了土壤垂直运移过程后,模型对土壤碳驻留时间模拟的准确性得到显著提高。(3)基于全球放射性碳同位素的观测数据,本研究比较了不同生态系统类型的土壤有机碳驻留时间。总体而言,该方法估算的土壤有机碳驻留时间存在极大的空间差异,且受到土壤取样深度的显著影响。(4)为了探讨全球土壤有机碳驻留时间影响因素,本研究使用回归分析方法对土壤碳驻留时间与温度和降水的关系进行研究。基于实测值得出的结果表明:在全球范围内,土壤有机碳驻留时间与全球年均温(y=-5.28x+156.04,r~2=0.48,P0.01)及年降雨(y=-68.19x+1222.6,r~2=0.60,P0.01)都呈现负相关关系。然而在区域范围内,影响土壤有机碳驻留时间的主要因素是森林演替阶段和土壤有机碳含量。(5)为了揭示区域内土壤有机碳驻留时间的空间分布特征及其影响规律,本文利用放射性碳同位素示踪技术研究了我国东部森林五个站点的土壤有机碳驻留时间。与全球数据所呈现的格局类似,该方法估算的土壤有机碳驻留时间在空间上存在很大差异。例如,吉林长白山(3849±770 year)与浙江天童山(1348±270 year)的土壤有机碳驻留时间比北京东灵山(361±72 year)、湖南八大公山(436±87 year)和广东黑石顶(383±77 year)更长。(6)凋落物的空间分布对土壤有机碳驻留时间的影响,本研究通过在浙江天童山的20公顷动态监测样地中采集凋落物及土壤样品进行分析。结果表明:在该森林生态系统中,坡度、海拔和土壤湿度共同决定了地上凋落物碳储量。相关分析未发现凋落物量对土壤有机碳驻留时间的影响,但表明土壤有机碳驻留时间与土壤碳含量之间存在显著相关关系。对深层土壤的有机碳驻留时间而言,地形因子具有重要的影响。综上所述,本研究总结了估算土壤有机碳驻留时间不同方法之间的差异性,并发现在全球尺度上的空间变化主要受到降雨量与气温的调控。在区域尺度上,森林演替和地形因子是决定土壤有机碳驻留时间的重要影响因素。基于实测值对模型模拟结果的评估,本研究发现当前的地球系统模型显著低估了土壤有机碳驻留时间,尤其在干旱和寒冷的生态系统。这主要是由于当前的模型只考虑了温度和水分条件对土壤有机碳驻留时间的影响。因此,为了进一步改进模型的模拟准确性,不仅需要在更多地区实测土壤有机碳驻留时间,还须对土壤有机碳驻留时间的影响机理进行深入探究。